Fuori dalla bolla!

Guardando il cielo stellato viene spontaneo immaginare l'Universo come uno spazio immenso, popolato da galassie che si allontanano progressivamente fino ad una distanza oltre la quale non riusciamo più a vederle. È un'immagine intuitiva ma incompleta, che nasconde una distinzione fondamentale: il limite della nostra conoscenza cosmica non coincide con un limite dello spazio fisico.

L'Universo può estendersi ben oltre ciò che osserviamo: può contenere regioni dalle quali la luce non è ancora arrivata fino a noi, altre dalle quali nessun segnale potrà mai raggiungerci, altre ancora oggi visibili ma che non potremo mai raggiungere o influenzare inviando segnali a partire da questo momento. Non si tratta di situazioni equivalenti: ciascuna corrisponde ad una diversa relazione tra la geometria dello spaziotempo, la velocità finita della luce e la storia dell'espansione cosmica. È questa la prospettiva da cui partire per comprendere il significato del post "These five divisions define how far we can go in space" pubblicato su Big Think lo scorso 28 ottobre dove Ethan Siegel distingue cinque regioni definite da differenti possibilità di comunicazione, raggiungibilità ed osservazione, ricordandoci che vedere un oggetto, poterlo raggiungere e poter interagire causalmente con esso sono tre proprietà differenti. Non si tratta quindi soltanto di determinare quanto grande possa essere l'Universo, ma di capire quale parte di esso possa entrare in relazione con noi.

Proviamo a spiegarci meglio.

L'Universo Osservabile non coincide con l'intero universo: ha oggi un raggio di circa 46,1 miliardi di anni luce pur avendo un'età di circa 13,8 miliardi di anni.

La galassia più distante attualmente identificata e confermata spettroscopicamente è MoM-z14. (1) La misura del suo redshift spettroscopico ritorna un valore di z pari a 14.44: questo dato ci informa che la luce che osserviamo è stata emessa quando l'Universo aveva soltanto circa 280 milioni di anni. La distanza attuale della regione di spazio in cui si trovava la galassia al momento dell'emissione (circa 13,53 miliardi di anni fa) viene stimata in circa 33,8 miliardi di anni luce, pari a circa il 73% del raggio dell'Universo Osservabile. Mentre la luce di MoM-z14 viaggiava verso di noi, lo spazio si è infatti espanso : la distanza cosmologica tra la regione che l'aveva emessa e la nostra posizione è cambiata nel corso della storia dell'Universo. Questo esempio chiarisce perché i 46,1 miliardi di anni luce non rappresentino la distanza percorsa dalla luce attraverso uno spazio statico, ma una stima della distanza attuale delle regioni più lontane da cui possiamo ricevere segnali.

Siegel individua cinque domini, ciascuno caratterizzato da un diverso limite di accessibilità.

Il dominio della comunicazione bidirezionale comprende la regione di spazio entro la quale sarebbe possibile instaurare una comunicazione bidirezionale a partire da oggi. Si tratta della distanza massima alla quale potremmo inviare un segnale radio e ricevere una risposta, supponendo che il destinatario lo ritrasmetta immediatamente. Oltre questo limite il segnale di ritorno non riuscirebbe più a raggiungerci, neppure viaggiando alla velocità della luce, a causa della geometria dello spaziotempo e dell'espansione accelerata dell'Universo. Utilizzando il modello cosmologico standard ΛCDM ed assumendo che l'energia oscura continui a comportarsi come una costante cosmologica, possiamo calcolare una distanza massima di circa 8.34 miliardi di anni luce per una comunicazione bidirezionale iniziata oggi. (2). Questa situazione ricorda la novella "I sette messaggeri" di Dino Buzzati (3) dove il protagonista, un principe, si allontana progressivamente dalla capitale del regno affidando a sette messaggeri il compito di mantenere i contatti con la famiglia; con l'aumentare della distanza i viaggi di andata e ritorno diventano sempre più lunghi fino al punto in cui le notizie provenienti dalla capitale rischiano di non poterlo più raggiungere nel corso della sua vita. Una suggestiva anticipazione letteraria, seppure non scientifica, del concetto di orizzonte causale: arriva un momento in cui distanza e tempo rendono impossibile mantenere una comunicazione reciproca.

Il dominio della comunicazione unidirezionale comprende gli oggetti che potremmo ancora raggiungere, o ai quali potremmo inviare un segnale destinato ad arrivare ma dai quali una risposta immediata potrebbe non riuscire a tornare: il limite esterno viene stimato, nel modello cosmologico considerato, intorno ai 15–18 miliardi di anni luce. È quindi possibile che un nostro messaggio raggiunga una galassia, senza che la risposta possa mai tornare sulla Terra.

Il dominio degli oggetti osservabili ma non raggiungibili comprende gli oggetti che possiamo osservare oggi, ma che non possiamo raggiungere inviando un segnale adesso: si estende dal limite della raggiungibilità unidirezionale fino al raggio attuale dell'Universo osservabile, pari a circa 46,1 miliardi di anni luce. Possiamo dunque vedere la luce emessa da queste regioni nel passato, ma non possiamo più inviare loro un messaggio che le raggiunga.

Il dominio delle regioni oggi invisibili ma osservabili in futuro comprende regioni dalle quali la luce, già in viaggio verso di noi, potrà arrivare in futuro; Siegel colloca il limite esterno indicativo di questa regione intorno ai 61–64 miliardi di anni luce. Si tratta di una possibilità particolarmente interessante: esistono regioni che oggi non possiamo ancora osservare ma dalle quali riceveremo segnali con il trascorrere del tempo.

Il dominio per sempre inosservabile: oltre il limite precedente si trova il dominio che, se l'espansione accelerata continuerà secondo il modello standard, rimarrà per sempre inosservabile. Nessun segnale proveniente da quelle regioni potrà mai raggiungerci, neppure aspettando un tempo arbitrariamente lungo.

Le distanze indicate sono approssimative e dipendono dalla cosmologia adottata; non descrivono cinque pareti fisiche poste nello spazio ma cinque differenti condizioni di accessibilità causale.

Una conseguenza interessante emerge confrontando i volumi delle diverse regioni: poiché il volume di una sfera è proporzionale al cubo del suo raggio, la parte accessibile risulta molto più piccola di quanto suggerisca il semplice confronto tra le distanze. Assumendo un raggio dell'Universo osservabile di 46,1 miliardi di anni luce la regione entro cui è possibile una comunicazione bidirezionale, con raggio di circa 8,34 miliardi di anni luce, occupa soltanto lo 0,59% circa del volume osservabile. Quella complessivamente raggiungibile mediante segnali inviati oggi, considerando il limite di 15–18 miliardi di anni luce, occupa circa il 3,4–5,9%. La parte osservabile ma non raggiungibile mediante segnali inviati oggi rappresenta quindi circa il 94,1–96,6% del volume osservabile.

Queste percentuali sono calcolate direttamente dai raggi indicati e non vanno confuse con le stime volumetriche riportate nell'articolo originale, che non risultano coerenti con quei valori.

La proporzione cambia decisamente il modo in cui dovremmo pensare al nostro posto nel cosmo: l'Universo di cui disponiamo come oggetto di osservazione è molto più vasto dell'Universo sul quale potremmo esercitare un'influenza causale a partire da oggi.

È tuttavia importante ricordare che l'impossibilità di raggiungere oggi una galassia non implica che essa sia sempre stata irraggiungibile, né che nessuna interazione con essa sia mai avvenuta. Le condizioni di accessibilità cambiano nel tempo, alcuni segnali che riceviamo oggi sono partiti quando le distanze e la storia dell'espansione erano differenti: l'orizzonte è quindi una proprietà dello spaziotempo in evoluzione e non una semplice misura geometrica.

E' essenziale distinguere tra Universo Osservabile e Universo "globale": il primo è definito dalla storia causale della luce che ha avuto il tempo di raggiungerci, il secondo è l'intera realtà cosmica la cui estensione complessiva non è nota. (4) Questa distinzione ha anche un'importante conseguenza epistemologica: se una regione si trova per sempre fuori dal nostro orizzonte causale non possiamo osservarla direttamente né inviarle segnali. Non ne segue automaticamente che sia inesistente ma che la sua esistenza e le sue proprietà non siano accessibili nello stesso modo in cui lo sono quelle della regione osservabile.

Il problema diventa allora capire quali proprietà del cosmo non osservabile possano essere inferite indirettamente, e quali invece rimangano sottodeterminate dalle osservazioni: la cosmologia non è infatti obbligata a rinunciare ad ogni affermazione sul non osservato. Le teorie fisiche permettono estrapolazioni fondate per esempio attraverso la Relatività Generale ed il modello cosmologico standard) ma è indispensabile distinguere ciò che è misurato da ciò che è inferito da un modello e da ciò che resta una mera possibilità teorica.

Per approfondire questo argomento occorre distinguere tre concetti spesso confusi:

l'orizzonte delle particelle definisce il limite delle regioni dalle quali segnali luminosi hanno avuto il tempo di raggiungerci dall'inizio della storia cosmica descritta dal modello; è associato al raggio attuale dell'Universo osservabile, pari a circa 46,1 miliardi di anni luce;
l'orizzonte degli eventi cosmologico riguarda invece i segnali che potranno raggiungerci in futuro: in un Universo in espansione accelerata può esistere una distanza oltre la quale un segnale emesso oggi non arriverà mai fino a noi, neppure viaggiando alla velocità della luce;
la sfera di Hubble ha un raggio definito dalla relazione R(H) = c / H(t) dove c è la velocità della luce e H(t) il parametro di Hubble all'epoca considerata; identifica la distanza alla quale la velocità di recessione cosmologica, definita attraverso l'espansione dello spazio, è eguale a quella della luce. Non si tratta tuttavia di un orizzonte causale: un fotone potrebbe trovarsi inizialmente oltre la sfera di Hubble e, in opportune condizioni cosmologiche, riuscire comunque a raggiungerci.

Questa distinzione chiarisce un punto fondamentale: la legge di Hubble descrive l'aumento della distanza propria tra regioni cosmiche sufficientemente lontane, ma non impone che nessun oggetto possa allontanarsi da noi ad una velocità di recessione superiore a quella della luce. La Relatività Speciale vieta ad un corpo materiale di superare localmente la velocità della luce rispetto ad un osservatore inerziale ma non vieta che la distanza cosmologica tra due regioni aumenti più rapidamente della velocità della luce a causa dell'espansione dello spazio. Infine l'orizzonte degli eventi non rappresenta una barriera materiale: una galassia non incontra una parete quando supera un certo limite. È la struttura causale dello spaziotempo a determinare se i segnali potranno ancora collegarla al nostro osservatore.

In un Universo descritto da una costante cosmologica positiva l'espansione accelerata conduce ad un orizzonte degli eventi cosmologico finito, ma questo risultato dipende dalla storia futura dell'espansione, non è un teorema indipendente dal modello. Le cinque regioni di Siegel descrivono soprattutto la geometria causale del cosmo dopo il Big Bang caldo, ma per capire perché la parte non osservabile potrebbe essere enorme occorre risalire ad una fase molto precoce: l'inflazione cosmica. (5) Nella formulazione proposta da Alan Guth e sviluppata successivamente da numerosi cosmologi, l'Universo primordiale avrebbe attraversato una fase di espansione accelerata estremamente rapida; durante questa fase una regione inizialmente piccola avrebbe potuto espandersi fino a dimensioni enormi. L'inflazione offre un quadro teorico capace di spiegare alcune caratteristiche osservate del cosmo, tra cui la sua elevata omogeneità su grandi scale e la vicinanza alla geometria spazialmente piatta. Le fluttuazioni quantistiche durante l'inflazione potrebbero inoltre aver fornito i semi delle strutture cosmiche successive. Tuttavia il quadro inflazionario non è una teoria unica con tutti i suoi dettagli definitivamente accertati: esistono diversi modelli, e l'identificazione del meccanismo fisico responsabile dell'inflazione rimane aperta. (6)

Il punto importante per il nostro discorso è un altro: l'inflazione può rendere l'Universo globale enormemente più grande della regione che possiamo osservare senza richiedere che esista un bordo fisico ad una distanza finita da noi. Se lo spazio si estendeva già oltre la regione che oggi osserviamo, l'espansione inflazionaria avrebbe potuto allontanare ulteriormente da noi regioni che non sarebbero mai entrate nel nostro orizzonte osservativo; la dimensione dell'Universo osservabile costituirebbe così soltanto una piccola finestra su una realtà cosmica molto più vasta. L'inflazione tuttavia non dimostra che l'Universo sia infinito: mostra che la dimensione della regione osservabile non può essere assunta come misura della dimensione totale. Inoltre non è corretto immaginare l'inflazione come un'esplosione avvenuta in un punto centrale: nella descrizione cosmologica essa è un'espansione dello spazio e non richiede un centro privilegiato al suo interno.

Alcuni modelli inflazionari consentono che l'inflazione termini in alcune regioni mentre continui in altre: questo scenario è noto come inflazione eterna. Le regioni in cui l'inflazione termina potrebbero evolvere in domini simili al nostro Universo osservabile, separati da enormi distanze e, in certi modelli, da regioni che continuano ad inflazionare (è una delle possibili origini del concetto di multiverso cosmologico). Tuttavia non tutti i modelli inflazionari producono un multiverso eterno, e neppure l'esistenza di altri domini cosmici è stata dimostrata direttamente.

Le difficoltà sono anche metodologiche: se altri domini sono causalmente disconnessi dal nostro, come possiamo ottenere evidenze della loro esistenza? In alcuni scenari sono state studiate possibili tracce di collisioni fra bolle cosmologiche nella radiazione cosmica di fondo, ma finora non esiste una rilevazione confermata che dimostri l'esistenza di tali collisioni o di altri universi.

La questione richiama una distinzione importante fra impossibilità pratica e impossibilità causale.

Un oggetto molto lontano può essere difficile da osservare perché la sua luce è debole o fortemente redshiftata, mentre una regione oltre il nostro orizzonte degli eventi pone invece un problema strutturalmente diverso: non si tratta di costruire un telescopio più potente ma di stabilire se un segnale possa raggiungerci "almeno in linea di principio". Questo non significa che ogni ipotesi sul multiverso sia scientificamente inutile (una teoria può avere conseguenze verificabili nel nostro dominio osservabile anche se alcune entità previste dal quadro teorico rimangono inaccessibili) ma occorre identificare chiaramente quali conseguenze siano controllabili e quali dipendano invece da assunzioni che non possiamo verificare direttamente.

La frontiera della cosmologia non è quindi soltanto tecnologica ma anche una frontiera della verificabilità.

Un altro aspetto fondamentale riguarda il modo in cui la luce attraversa un Universo in espansione: quando un fotone viaggia attraverso lo spazio cosmologico la sua lunghezza d'onda viene generalmente allungata e si parla così di redshift cosmologico descritto dalla relazione 1 + z = α(t oggi) / α(t all'emissione) dove α(t) è il fattore di scala cosmico. Una galassia lontana può quindi apparirci con una luce molto più rossa di quella originariamente emessa in quanto l'energia del singolo fotone, proporzionale alla frequenza, diminuisce con l'espansione.

Il fenomeno non va confuso con il redshift Doppler ordinario anche se, in situazioni appropriate, le due descrizioni possono essere messe in relazione. La cosmologia relativistica richiede di considerare la geometria dello spaziotempo ed il confronto fra osservatori posti in epoche differenti.

Il blueshift indica invece uno spostamento verso frequenze maggiori e può verificarsi per il moto relativo di sorgente ed osservatore, per esempio quando una galassia è gravitazionalmente legata e si avvicina a noi oppure per effetti gravitazionali in contesti appropriati.

L'espansione cosmica non implica quindi che ogni oggetto debba mostrare sempre un redshift: i moti locali ed i campi gravitazionali possono prevalere. La distinzione è rilevante perché l'orizzonte non è semplicemente una distanza oltre la quale la luce diventa sempre più debole: la luce che possiamo ricevere contiene informazioni trasformate dalla storia dell'espansione, dalla dinamica della sorgente e dalla propagazione nello spaziotempo. In linea di principio una sorgente può essere ancora causalmente osservabile ma diventare sempre più difficile da rilevare perché la sua radiazione si diluisce, la sua lunghezza d'onda cresce ed il flusso osservato diminuisce. Accessibilità causale ed accessibilità strumentale sono quindi due problemi distinti: il fatto che un segnale possa raggiungerci non garantisce che potremo misurarlo con strumenti reali.

Il fondo cosmico a microonde, o CMB, rappresenta una delle prove più forti del modello del Big Bang caldo; la sua radiazione fu liberata quando l'Universo divenne sufficientemente freddo da permettere agli elettroni di legarsi ai nuclei e così formare atomi neutri, circa 380.000 anni dopo l'inizio della fase calda. Prima di quel momento il plasma primordiale era opaco alla radiazione elettromagnetica: i fotoni interagivano continuamente con le particelle cariche e non potevano propagarsi liberamente su grandi distanze. Il limite osservativo imposto da questa opacità è diverso dall'orizzonte delle particelle: non possiamo osservare direttamente con luce ordinaria le epoche precedenti alla ricombinazione ma possiamo inferirne le proprietà attraverso la CMB, la nucleosintesi primordiale, la distribuzione delle strutture ed altri indizi fisici. Il nostro orizzonte elettromagnetico è dunque limitato non soltanto dall'età dell'Universo, ma anche dalla storia dei processi che hanno reso possibile la propagazione dei fotoni. In linea di principio altre forme di messaggeri potrebbero aprire finestre su epoche ancora più antiche: le onde gravitazionali primordiali, se identificate in modo convincente, potrebbero fornire informazioni su processi che precedono la formazione della CMB. Anche i neutrini primordiali (rilasciati circa 1 secondo dopo il Big Bang) potrebbero conservare tracce delle fasi iniziali benché la loro rilevazione cosmologica diretta sia estremamente difficile.

Tutto ciò dimostra che un orizzonte non deve essere inteso come un limite assoluto ad ogni forma di conoscenza: un limite alla propagazione della luce non equivale necessariamente ad un limite alla propagazione di tutte le informazioni fisiche. Bisogna tuttavia distinguere una possibilità teorica da un risultato sperimentale: non disponiamo ancora di una rilevazione diretta dei fondi cosmologici di neutrini o di onde gravitazionali primordiali che ci consenta di ricostruire liberamente le epoche più antiche.

La Relatività Generale descrive lo spaziotempo non come un contenitore rigido nel quale gli oggetti si muovono, ma come una struttura dinamica la cui geometria è collegata alla distribuzione di energia e materia; in questa prospettiva l'orizzonte cosmologico assume il significato non solo di una distanza difficile da superare, ma identifica una limitazione nei rapporti possibili fra eventi. Un evento può trovarsi nel passato causale di un osservatore e quindi aver potuto influenzarlo, può appartenere al suo futuro causale e quindi essere raggiungibile da un segnale emesso dall'osservatore, oppure può essere separato da esso in modo tale che nessun segnale luminoso possa collegare i due eventi nelle condizioni cosmologiche considerate. Il diagramma causale dello spaziotempo consente di rappresentare queste possibilità attraverso coni di luce ed orizzonti: si tratta di una geometria della relazione non soltanto della posizione.

Questa distinzione suggerisce una riflessione ulteriore: l'Universo osservabile non è una porzione dello spazio che esiste indipendentemente da ogni osservatore e che tutti gli osservatori devono necessariamente delimitare nello stesso modo.

Ogni osservatore ha una propria storia causale e, in generale, un proprio orizzonte.

Due osservatori in regioni cosmologiche differenti possono avere orizzonti osservativi differenti pur vivendo nello stesso Universo. Ciò che per noi è per sempre inaccessibile potrebbe non esserlo per un altro osservatore situato altrove. Non significa certo che la realtà sia soggettiva: le leggi fisiche sono formulate proprio per descrivere le relazioni fra osservatori e per distinguere le proprietà invarianti da quelle dipendenti dal sistema di riferimento. Significa però che la regione di Universo direttamente accessibile non costituisce una proprietà assoluta dell'intero cosmo, semmai una proprietà della relazione fra un osservatore e lo spaziotempo.

Il cosmo non ha bisogno di essere interamente osservabile affinché le leggi fisiche abbiano validità, ma le nostre affermazioni sul cosmo devono sempre tenere conto del dominio entro cui possiamo ottenere evidenze.

L'esistenza di un orizzonte causale pone una domanda radicale: quali informazioni sull'Universo possono essere, in linea di principio, perdute per sempre per un osservatore? Se una regione si trova oltre il suo orizzonte degli eventi cosmologico i segnali emessi da quella regione in un dato momento potrebbero non raggiungerlo mai. Non si tratta di una difficoltà che può essere risolta aumentando indefinitamente la sensibilità dei rivelatori: è una limitazione della struttura causale. Questo tuttavia non implica il fatto che l'informazione venga distrutta in senso assoluto: potrebbe soltanto non essere accessibile ad un particolare osservatore mentre un altro osservatore potrebbe trovarsi in una posizione causale differente.

È quindi utile distinguere l'informazione che non esiste più da quella che esiste ma è fisicamente irrecuperabile per noi, e da quella che non abbiamo ancora imparato a misurare.

La questione è rilevante anche nella fisica dei buchi neri dove gli orizzonti assumono un ruolo centrale: l'orizzonte degli eventi di un buco nero separa infatti gli eventi dai quali segnali possono raggiungere l'esterno da quelli dai quali non possono farlo. Gli orizzonti cosmologici hanno una struttura differente perché dipendono dall'evoluzione globale dello spaziotempo ma condividono con quelli dei buchi neri un elemento concettuale: limitano l'accesso causale alle informazioni. In entrambi i casi la presenza di un orizzonte conduce a domande sulla termodinamica, sull'entropia e sul significato fisico dell'informazione.

Per gli orizzonti associati ad uno spaziotempo di de Sitter la teoria quantistica dei campi in uno spaziotempo curvo associa una temperatura, detta temperatura di Gibbons-Hawking. In un universo ideale di de Sitter con parametro di Hubble costante H, essa è espressa dalla relazione T(GH) = ℏH / 2π k(B) e cioè la temperatura di Gibbons-Hawking è uguale alla costante di Planck ridotta moltiplicata per la costante di Hubble, divisa per due pi greco per la costante di Boltzmann. La temperatura è estremamente bassa per un'espansione simile a quella attuale. Il risultato è teoricamente importante perché collega la geometria cosmologica alla termodinamica, ma non va interpretato come una misura diretta di una radiazione cosmologica già osservata in laboratorio.

La temperatura di Gibbons-Hawking è per certi aspetti analoga alla temperatura di Hawking di un buco nero, pur avendo origine in una geometria differente. Questa analogia non deve essere estesa indiscriminatamente a qualsiasi confine cosmologico: la temperatura dipende dalla soluzione fisica e dalle condizioni considerate. Inoltre non bisogna confondere la temperatura dell'orizzonte con quella della radiazione cosmica di fondo: la CMB è una radiazione osservata, oggi a circa 2,7 kelvin, proveniente dall'Universo primordiale mentre la temperatura di Gibbons-Hawking è invece una proprietà teorica associata a un particolare orizzonte cosmologico. La connessione rimane significativa perché mostra che l'orizzonte può essere più di un limite geometrico: può entrare nella descrizione termodinamica dello spaziotempo.

Le cinque regioni descritte da Siegel dipendono da una condizione essenziale: il comportamento futuro dell'energia oscura.

Nel modello cosmologico standard ΛCDM, l'energia oscura è descritta mediante una costante cosmologica: la sua densità rimane costante mentre la densità della materia diminuisce con l'espansione e di conseguenza l'energia oscura diventa progressivamente dominante e l'espansione cosmica accelera. Se questo quadro rimarrà valido le regioni gravitazionalmente legate potranno continuare ad evolvere al proprio interno mentre numerose galassie esterne diventeranno sempre più lontane e, alla fine, causalmente inaccessibili. Il cielo osservabile da un futuro osservatore potrebbe quindi essere molto diverso da quello attuale: su scale temporali immense le galassie non legate gravitazionalmente al Gruppo Locale si allontanerebbero oltre l'orizzonte cosmologico mentre le strutture legate localmente potrebbero continuare ad evolvere. Un osservatore di un futuro remoto potrebbe disporre di evidenze cosmologiche molto più limitate di quelle attuali: la radiazione cosmica di fondo sarebbe stata ulteriormente redshiftata e numerose galassie esterne non sarebbero più osservabili.

La conoscenza cosmologica potrebbe quindi diventare più difficile non perché gli strumenti peggiorino ma perché l'espansione modifica le possibilità fisiche di ricevere informazioni.

Non è prudente tuttavia trattare il destino cosmico come una certezza assoluta: le osservazioni vincolano l'equazione di stato dell'energia oscura ma non stabiliscono con certezza il suo comportamento per tutti i tempi futuri. Se l'energia oscura evolvesse, le dimensioni degli orizzonti e il destino delle regioni cosmiche potrebbero differire dalle previsioni del modello con costante cosmologica. Il limite causale non è quindi soltanto una proprietà dello spazio: è anche una previsione sulla storia futura dell'Universo.

Emerge a questo punto una questione che supera la cosmologia strettamente geometrica e si avvicina di più alla filosofia della conoscenza.

Se possiamo accedere soltanto a una parte della realtà cosmica, e se questa parte dipende dalla nostra posizione nello spaziotempo e dalla storia dell'espansione, in quale senso possiamo affermare di conoscere l'Universo nel suo complesso?

La domanda richiama la Teoria dell'interfaccia percettiva (TIP) e, più in generale, le riflessioni di Donald Hoffman sulla percezione come interfaccia. Secondo questa prospettiva ciò che un organismo percepisce non deve corrispondere ad una rappresentazione completa e letterale della realtà sottostante: l'esperienza potrebbe funzionare come un'interfaccia utile per l'interazione senza riprodurre ogni proprietà del mondo in sé. (7)

L'analogia con la cosmologia deve essere delimitata con attenzione: gli orizzonti cosmologici non dimostrano la teoria di Hoffman e non implicano che il mondo fisico sia una costruzione della coscienza. Mostrano invece, in modo indipendente, come l'accesso alla realtà sia strutturalmente limitato. L'Universo osservabile è una regione definita dalla propagazione dei segnali e dalla storia dello spaziotempo, non una semplice immagine mentale: le sue proprietà vengono ricostruite attraverso misure, modelli matematici, confronti indipendenti e previsioni verificabili. L'analogia con l'interfaccia diventa utile se la intendiamo in senso epistemologico: ciò che osserviamo è una rappresentazione fisicamente mediata della realtà e non una visione simultanea e completa dell'intero cosmo.

Ogni osservazione astronomica è infatti un incontro con il passato: la luce delle galassie lontane ci raggiunge dopo miliardi di anni quindi la loro immagine non descrive il loro stato attuale. La cosmologia deve ricostruire l'evoluzione delle sorgenti e dello spazio attraverso cui la radiazione è propagata. La nostra immagine del cosmo è quindi una ricostruzione scientifica, non una fotografia dell'Universo in un unico istante. La differenza rispetto alla TIP è importante: la fisica non conclude che la realtà sia inconoscibile o che le sue strutture siano soltanto simboli di un mondo radicalmente diverso, ma al contrario cerca di individuare regolarità oggettive attraverso osservazioni che possano essere confrontate e replicate. Il limite della conoscenza non annulla la conoscenza ma la rende condizionata, incompleta e dipendente dalle evidenze che possono raggiungerci.

Una domanda che accompagna spesso la discussione sugli orizzonti è "potremmo trovarci vicino ad un vero confine dello spaziotempo?"

La risposta, allo stato attuale, è che non disponiamo di evidenze che dimostrino l'esistenza di un bordo fisico dell'Universo osservabile o dell'Universo complessivo. (8) Un confine dello spazio, se esistesse, sarebbe un'ipotesi fisica molto più forte della semplice presenza di un orizzonte causale: richiederebbe una descrizione della geometria e delle condizioni al contorno, oltre a conseguenze osservabili capaci di distinguerlo da un cosmo senza bordo. In alcuni modelli teorici sono state considerate topologie non banali, geometrie finite e possibili tracce di collisioni fra domini cosmici. Alcuni scenari potrebbero produrre segnali specifici nella radiazione cosmica di fondo o nella distribuzione delle strutture, ma nessuna di queste possibilità equivale ad una dimostrazione di un margine fisico.

È essenziale anche non confondere il bordo di una regione inflazionaria, il confine di una bolla cosmologica e l'orizzonte osservativo: sono concetti che appartengono a modelli differenti e non devono essere sovrapposti senza una precisa giustificazione matematica. Il fatto che l'Universo osservabile abbia un raggio finito non implica che lo spazio finisca a quella distanza e, analogamente, il fatto che un modello inflazionario consenta altri domini cosmici non dimostra che esistano regioni separate da un confine fisico direttamente identificabile. La cosmologia può studiare la possibilità di frontiere dello spaziotempo ma deve evitare di trasformare una possibilità teorica in un fatto osservato.

Dalle considerazioni precedenti emerge una distinzione che merita di essere formulata esplicitamente: esistere, essere osservabile ed essere conoscibile non sono la stessa cosa.

L'esistenza riguarda ciò che appartiene alla realtà fisica, l'osservabilità riguarda la possibilità che un fenomeno produca segnali accessibili a un osservatore, la conoscibilità riguarda invece ciò che possiamo inferire in modo affidabile a partire da tali segnali e dalle leggi fisiche. Un fenomeno può essere esistente ma non direttamente osservabile, osservabile ma difficile da ricostruire; può anche essere inferito indirettamente, come accade in numerosi ambiti della fisica, dove entità e processi vengono riconosciuti attraverso gli effetti che producono. Nel caso dell'Universo, oltre l'orizzonte la situazione è particolarmente delicata: se una regione non potrà mai inviarci segnali, non possiamo osservarla direttamente. Possiamo eventualmente discutere le sue proprietà sulla base di teorie che descrivono il cosmo globale ma dobbiamo riconoscere che tali conclusioni dipendono dalle ipotesi del modello.

Questo non autorizza né il realismo ingenuo (secondo il quale possiamo descrivere con certezza l'intero Universo a partire da una regione limitata), né uno scetticismo assoluto (secondo il quale ciò che non osserviamo sarebbe privo di significato scientifico). La posizione più rigorosa è intermedia: costruire modelli capaci di spiegare le evidenze, formulare previsioni verificabili e dichiarare esplicitamente dove termina il sostegno empirico. La cosmologia diventa così una riflessione sui limiti della conoscenza scientifica.

I progressi osservativi continueranno a modificare la nostra comprensione dell'Universo: telescopi più potenti, osservatori di onde gravitazionali, rivelatori di neutrini e nuove indagini sulla struttura su larga scala potranno sondare epoche sempre più antiche e mettere alla prova il modello cosmologico. Questi strumenti non elimineranno gli orizzonti causali, potranno tuttavia ampliare le finestre osservative, migliorare la ricostruzione delle epoche primordiali e verificare se l'energia oscura si comporti davvero come una costante cosmologica. Anche una migliore comprensione dell'inflazione potrebbe chiarire quanto sia legittimo estrapolare le proprietà della nostra regione osservabile all'Universo globale. La ricerca di segnali primordiali, la misura della curvatura e lo studio della topologia cosmica potrebbero porre limiti più stringenti alle alternative teoriche.

Non è detto tuttavia che ogni domanda cosmologica ammetta una risposta empirica: alcune proprietà potrebbero rimanere sottodeterminate dalle osservazioni disponibili, non per una mancanza temporanea di tecnologia, ma per una limitazione causale intrinseca. (9)

La sfida sarà distinguere ciò che è ancora sconosciuto perché non abbiamo misurato abbastanza da ciò che potrebbe essere inaccessibile per sempre. Questo è un compito tanto scientifico quanto filosofico, richiede di comprendere i limiti dei nostri strumenti ma anche quelli delle inferenze che possiamo legittimamente trarre dalle teorie.

In conclusione, le cinque regioni descritte da Ethan Siegel sono più di una classificazione delle distanze cosmiche: sono una mappa delle differenti relazioni che possono esistere fra noi ed il resto del cosmo.

Una regione può essere osservabile senza essere raggiungibile, un'altra può essere invisibile oggi ma osservabile in futuro, una terza può rimanere per sempre fuori dalla nostra portata causale.

Queste differenze derivano dalla combinazione fra velocità finita della luce, geometria dello spaziotempo ed evoluzione dell'espansione cosmica.

L'inflazione amplia ulteriormente la prospettiva perché rende plausibile che l'Universo globale sia molto più vasto della regione osservabile, pur senza dimostrarne l'infinità.

Gli scenari di inflazione eterna e multiverso spingono la domanda ancora oltre, ma richiedono di separare le possibilità teoriche dalle evidenze disponibili.

Il redshift cosmologico mostra come la luce trasporti informazioni trasformate dall'espansione.

La CMB ricorda che la nostra visione del passato è limitata dalla storia della materia e della radiazione.

Infine gli orizzonti cosmologici mostrano che la causalità stessa dipende dalla struttura e dall'evoluzione dello spaziotempo.

Il collegamento con la filosofia della conoscenza nasce da qui: non possediamo una visione assoluta dell'intero Universo, quindi ricostruiamo la realtà attraverso segnali che hanno avuto modo di raggiungerci, teorie che li organizzano e previsioni che possano essere sottoposte a verifica. Ma questa limitazione non implica che la realtà coincida con ciò che percepiamo, né che tutto ciò che è oltre il nostro orizzonte sia inconoscibile in ogni senso. La scienza può riconoscere l'esistenza di limiti senza trasformarli in un invito alla rinuncia: può esplorare ciò che è osservabile, inferire ciò che non è direttamente visibile ed ammettere ciò che non può ancora stabilire.

Il limite dell'Universo osservabile non costituisce il limite dell'Universo, ma rappresenta un limite reale alle relazioni causali attraverso cui possiamo conoscerlo.

Non è la distanza, da sola, a separare ciò che sappiamo da ciò che ignoriamo: è la storia dello spaziotempo a stabilire quali informazioni possono raggiungerci, quali segnali possiamo inviare e quali eventi potranno mai entrare in relazione con noi. L'Universo potrebbe essere molto più vasto di quanto riusciremo a vedere: la sfida della cosmologia contemporanea consiste nel comprendere quanto possiamo sapere di questa immensità senza confondere ciò che le teorie rendono possibile con ciò che le osservazioni hanno effettivamente dimostrato.

Ora una digressione: quanto tempo occorre per comunicare attraverso l'Universo? Vediamo alcuni esempi dei tempi necessari per inviare un segnale luminoso a una galassia e riceverne un'immediata risposta. Le distanze indicate sono quelle attuali misurate dalla Terra; i tempi di viaggio invece tengono conto dell'espansione dell'Universo, assumendo che le galassie coinvolte seguano il flusso cosmologico. Questi valori sono stime ottenute nell'ambito del modello cosmologico standard ΛCDM, assumendo un'espansione futura dominata da una costante cosmologica: - A 100 milioni di anni luce: il segnale raggiungerebbe l'obiettivo dopo circa 100,35 milioni di anni. Nel frattempo, a causa dell'espansione cosmica, la distanza tra noi e la galassia sarebbe aumentata fino a circa 100,7 milioni di anni luce. Considerando anche il viaggio di ritorno della risposta, il tempo complessivo sarebbe di circa 201,4 milioni di anni. - A un miliardo di anni luce: il segnale arriverebbe a destinazione dopo circa 1,04 miliardi di anni. Nel frattempo, la distanza sarebbe cresciuta fino a circa 1,08 miliardi di anni luce. Per ricevere la risposta dovremmo attendere complessivamente circa 2,15 miliardi di anni. - A cinque miliardi di anni luce: il segnale impiegherebbe circa 6,06 miliardi di anni per raggiungere l'obiettivo, che nel frattempo si troverebbe a circa 7,38 miliardi di anni luce da noi. Il viaggio completo, andata e ritorno, richiederebbe circa 15,8 miliardi di anni. - A nove miliardi di anni luce: il segnale raggiungerebbe l'obiettivo dopo circa 13,34 miliardi di anni. A quel momento, la distanza tra noi e la galassia sarebbe aumentata fino a circa 20,45 miliardi di anni luce. Ma qui emerge un limite fondamentale: la risposta non riuscirebbe mai a raggiungerci. Non perché dovrebbe superare la velocità della luce, ma perché l'espansione dello spazio, combinata con la geometria dell'Universo e con la sua futura evoluzione, impedirebbe al segnale di ritorno di arrivare fino a noi.

Note:

(1) Per la scoperta e la conferma spettroscopica di MoM-z14 vedi Rohan P. Naidu et al., "A Cosmic Miracle: A Remarkably Luminous Galaxy at zspec = 14.44 Confirmed with JWST", The Open Journal of Astrophysics, 30 gennaio 2026 LiveScience "James Webb telescope discovers closest galaxy to the Big Bang ever seen" 30 gennaio 2026, e NASA Science "NASA Webb Pushes Boundaries of Observable Universe Closer to Big Bang", 28 gennaio 2026.

(2) Il calcolo del limite di comunicazione bidirezionale assume un Universo piatto descritto dal modello ΛCDM, con H₀ = 67,4 km/s/Mpc, Ωm = 0,315 e ΩΛ = 0,685. Si suppone che il destinatario sia comovente e che risponda immediatamente: il limite di circa 8,34 miliardi di anni luce è la distanza propria attuale massima per la quale il segnale di ritorno può ancora raggiungerci.

(3) Dino Buzzati, I sette messaggeri, racconto pubblicato originariamente nella raccolta omonima del 1942 e successivamente incluso in Sessanta racconti.

(4) Per il tema della forma globale dello spazio e della distinzione fra Universo osservabile e Universo complessivo, si veda anche il mio post "La forma globale del nostro universo: JWST potrebbe vedere la nostra galassia nel passato remoto?" del 24 marzo 2026 e "Dove finisce l’Universo? Il possibile bordo della nostra bolla cosmologica" del 18 settembre 2026.

(5) Si veda il mio post "Ma quanto è grande l'universo in cui viviamo?" del 4 febbraio 2025

(6) Ho scritto diversi post sull'inflazione e sui suoi differenti modelli, fra cui "Quali erano le dimensioni dell'universo al termine dell'inflazione?" del 4 luglio 2025,

(7) Il richiamo è (anche) a quanto scritto da Joseph Howelett nell'articolo “Che cos’è la materia oscura” apparso sul numero di novembre 2026 di Le Scienze: “… che le nostre teorie siano semplicemente una riproduzione del mondo utile, ma in definitiva prive di significato …”

(8) Si veda anche il mio post "Dove finisce l’Universo? Il possibile bordo della nostra bolla cosmologica" pubblicato lo scorso 18 settembre.

(9) Si veda il servizio speciale Le domande impossibili, pubblicato su Le Scienze, novembre 2026.

Fuori dalla bolla!

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mercoledì 4 novembre 2026

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Non è la distanza, è la causalità: l'Universo oltre il nostro orizzonte

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